KR20120017590A - 다중 적층 염료감응 태양전지 및 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단일 전지 내에서 다중 염료 적층 구조를 가지는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 투명전도성 기판 위에 서로 다른 파장을 갖는 적어도 2종 이상의 염료층을 포함하는 광전극, 상기 광전극에 대향 배치되며 투명전도성 기판 위에 형성된 백금층을 포함하는 상대전극, 및 상기 광전극과 상대전극 사이를 충진하는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 여러 전지를 연결하지 않고 단일 전지 내에 각각 다른 광흡수파장을 가지는 염료들을 다층으로 적층 형성함으로써 태양광을 광범위하게 흡수할 수 있는 장점이 있다. 또한 각 염료에 맞는 나노산화물을 적용할 수 있어, 높은 에너지 변환 효율을 갖는 염료감응태양전지의 구현이 가능하다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 여러 전지를 연결하지 않고 단일 전지 내에 각각 다른 광흡수파장을 가지는 염료들을 다층으로 적층 형성함으로써 태양광을 광범위하게 흡수할 수 있는 장점이 있다. 또한 각 염료에 맞는 나노산화물을 적용할 수 있어, 높은 에너지 변환 효율을 갖는 염료감응태양전지의 구현이 가능하다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 점성이 있는 염료탈착 용액을 이용하여 서로 다른 2개 이상의 염료를 수직적으로 적층한 다층의 염료층을 갖는 금속산화물 나노입자층과 상기 염료층 위에 형성된 서로 다른 종류의 금속산화물 나노산화물 나노입자층을 포함하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
염료감응 태양전지(dye-sensitized photovoltaic cell)는 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 광전기화학 태양전지로 대표되는 것으로서, 도 1a에서 일반적인 구조를 보여주고 있다. 염료 감응형 태양전지는 일반적으로 투명 전도성 기판(10), 광흡수층(30), 상대전극(counter electrode)(70), 및 전해질(40)로 구성되며, 그 중 광흡수층은 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 금속산화물 나노입자 및 감광성 염료를 흡착시켜 사용하고, 상대전극으로는 투명전도성 기판위(10)에 백금(Pt)(60)을 코팅하여 사용한다.
염료감응 태양전지는 태양광이 입사되면 태양광을 흡수한 감광성 염료가 여기상태(勵起狀態, excited state)로 되어 전자를 금속산화물의 전도대로 보낸다. 전도된 전자는 전극으로 이동하여 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하고, 전기에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대전극으로 이동한다. 그 후, 감광성 염료는 금속산화물에 전달한 전자수 만큼 전해질 용액(40)으로부터 전자를 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 되는데, 이때 사용되는 전해질은 산화-환원 반응에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 감광성 염료에 전달하는 역할을 한다.
광범위한 파장 영역의 빛을 흡수하기 위해서 흡수 파장 영역이 넓은 단일 염료를 개발하거나 둘 이상의 나노 입자 층을 적층하여 흡수 파장이 다른 염료를 흡착시키는 구조를 이용한다. 특히, 후자의 경우 도 3과 같이 광범위한 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있는 장점이 있으므로, 기 개발된 다양한 흡수 파장 영역을 가지는 염료를 이용하여 염료 감응 태양전지의 흡수 파장 영역을 제어할 수 있으며, 나아가 효율 향상에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만, 금속산화물 나노 입자층이 전자 전달을 가능하게 하기 위해서는 고온 소결과정을 거쳐야 하는데, 염료는 고온에서는 쉽게 파괴되므로 한 번 염료 흡착과정을 거치고 나면 추가적인 금속산화물 나노 입자 층의 소결과정을 거칠 수 없다. 이 때문에 지금까지 거의 대부분의 염료 감응 태양전지는 한 종류의 염료만 사용하거나 둘 이상의 염료를 단순 혼합하여 사용하였다. 또한, 도 1b와 같이, 서로 다른 파장 영역의 빛을 흡수하는 염료를 포함하는 둘 이상의 개별전지를 적층하여 효율상승을 꾀하고자 하였다. 그러나, 상기 방법은 광흡수층 사이에 두 장의 전도성 기판이 놓여 염료감응형 전지의 장점인 투명성을 저해할 뿐 아니라, 후방 광흡수층까지 도달하는 빛의 양을 감소시키는 문제가 발생한다. 또한, 이러한 구조는 두 개의 개별 전지를 적층했다는 점에서 단일 전지에 의한 효율이라고 보기 힘들다.
또한, 이러한 문제를 해결하고자 본 출원인은 대한민국 특허공개 제2009-91870호와 같이, 서로 다른 파장 영역의 빛을 흡수하는 염료를 적층하는 기술을 개발하여 염료감응 태양전지가 광범위한 파장 영역의 빛을 흡수하여 높은 광전류를 생성할 수 있도록 하였다. 하지만, 상기 방법은 적층공정에서 기공을 막기 위한 고분자 형성-제거 공정 및 수용액을 사용하는 공정과 같은 태양전지의 광전특성을 떨어뜨리는 공정이 포함되어 있어, 궁극적인 목적인 고효율의 염료감응 태양전지를 구현하는데 어려움이 있다.
상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 고효율을 나타내면서 염료의 탈착공정을 간소화하고, 고분자의 제거공정을 생략할 수 있어서 전체 공정을 간소화할 수 있는, 다중 적층 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 염료감응 태양전지의 제조방법에 의해 제조된 넓은 파장영역에서 빛을 고르게 흡수하고 광전특성이 우수한 고효율의 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
블록킹층이 형성된 투명 전도성 기판의 일면에 금속산화물 나노입자층과 그 위에 광산란층을 형성한 후 사염화티타늄(TiCl4) 처리를 진행하는 단계;
상기 투명 전도성 기판에 형성된 금속산화물 나노입자층에 1차 염료를 흡착시키는 단계;
점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 1차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 1차 염료만을 탈착시키는 단계;
상기 탈착 부위에 상기 1차 염료와 파장이 다른 2차 염료를 흡착시켜, 서로 다른 파장을 갖는 적층 구조의 염료층을 가지는 금속산화물 나노입자층과 그 위에 광산란층을 갖는 광전극을 제조하는 단계;
투명 전도성 기판의 일면에 백금층을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계; 및
상기 광전극과 상대전극을 대향 배치하고 전해질을 충진하는 단계
를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 블록킹층이 형성된 투명 전도성 기판의 일면에 서로 같거나 다른 종류의 2층 이상의 적층구조의 금속산화물 나노입자층을 형성하고, 그 위에 광산란층을 형성한 후 사염화티타늄(TiCl4) 처리를 진행하는 단계;
상기 투명 전도성 기판에 형성된 2층 이상의 금속산화물 나노입자층에 1차 염료를 흡착시키는 단계;
점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 1차 염료가 흡착된 2층 이상의 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층의 1차 염료만을 탈착시키는 단계;
상기 탈착 부위에 2차 염료를 흡착시켜, 서로 다른 흡수파장을 갖는 적층 구조의 염료층을 가지는 2층 이상의 금속산화물 나노입자층과 그 위에 광산란층을 갖는, 광전극을 제조하는 단계;
투명 전도성 기판의 일면에 백금층을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계; 및
상기 광전극과 상대전극을 대향 배치하고 전해질을 충진하는 단계
를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 방법은, 상기 탈착과정과 염료의 재흡착 과정을 반복하여 광산란층 하부에 형성된 금속산화물 나노입자층 부분에 3가지 이상의 염료를 적층할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조되고,
투명 전도성 기판 위에 형성되며, 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층 및 광산란층을 포함하는 광전극,
상기 광전극에 대향 배치되며, 투명 전도성 기판 위에 형성된 백금층을 포함하는 상대전극, 및
상기 광전극과 상대전극 사이를 충진하는 전해질을 포함하며,
상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층은, 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 염료가 각각 흡착된 2 이상의 적층 구조의 염료층을 포함하는, 다중 적층 염료를 갖는 염료감응 태양전지를 제공한다.
이때, 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층은
한 층으로 형성된 금속산화물 나노입자층에서 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 염료가 적층구조로 흡착되어 있거나, 또는
2층 이상으로 형성된 금속산화물 나노입자층에서 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 염료가 각층에 별도로 흡착되어 층상의 염료층을 가질 수 있다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 출원인이 개발한 대한민국 특허공개 제2009-91870호의 경우, 다중 적층 염료를 갖는 염료감응 태양전지를 제공하긴 하나, 상기 방법은 사용된 1차 염료를 탈착하는 과정에서 폴리머 코팅을 하여 고분자 물질을 생성하고 제거하는 과정을 수행하는데, 이때 쓰이는 고분자와 유기용매가 태양전지 특성에 좋지 않은 영향을 미쳤다. 또한 상기 방법은 고분자를 열중합하는 과정에서 유기염료의 열화현상이 발생할 수 있으며, 복잡한 공정으로 인해 대면적 모듈에 적용하는 것이 힘들다.
이렇게 기존의 다중 적층 염료감응 태양전지는 금속산화물 나노 입자의 기공을 조절하여 염료를 선택적으로 탈착하기 위해 폴리머 코팅을 하였는데, 이 공정은 과정이 복잡하고 태양전지의 성능에 좋지 않은 영향을 미쳤다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 방법을 제공하며, 상기 대한민국 특허공개 제2009-91870호의 개량발명을 제공하기 위한 것이다. 즉, 본 발명은 고효율을 나타내는 동시에, 상기 탈착공정을 간소화하고 열중합 과정 및 수용액을 사용하는 탈착과정을 제거하여 전체 공정을 간소화하고 단순화할 수 있는, 다중 적층 염료감응 태양전지의 제조방법과 이로부터 제조된 염료감응 태양전지를 제공하는 특징이 있다.
이러한 본 발명은 전도성 기판 위에 금속산화물 나노입자층을 형성하여 특정 파장 영역의 흡수 능력을 갖는 1차 염료를 흡착시킨 후, 별도의 폴리머 코팅 없이 점성이 있는 염기성 용액으로 상부층을 원하는 두께만큼 탈착시킨 후, 다른 파장대를 흡수할 수 있는 2차 염료를 재흡착시키는 방법을 이용한 다중 적층형 염료 감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명에서는 염료흡착 전에 금속산화물 나노입자층의 사염화티타늄(TiCl4) 후처리를 통해서 광흡수층의 금속산화물 나노입자의 기공의 평균 크기를 약 10% 정도 줄이고, 염료 탈착 용액의 염기성 물질의 분자량을 늘림으로써, 고분자 코팅을 하지 않고도 점성이 있는 탈착 용액만으로 염료를 선택적으로 탈착할 수 있도록 하였다. 그러므로, 본 발명에 따른 방법은 고분자 코팅 및 제거 공정이 없어지므로, 고분자의 열중합 과정이 없어지고 불필요한 유기용매 사용으로 인한 태양전지의 광전특성이 저해되는 원인을 제거할 수 있다. 이때, 상기 TiCl4 처리 방법은 금속산화물 나노입자층과 광산란층이 형성된 기판을 20℃ 내지는 80℃에서 0.02 내지 0.2 몰 농도의 TiCl4 수용액에 20분에서 20시간까지 침지하여 진행할 수 있다. 바람직하게는, 상기 TiCl4 처리 방법은 50℃ 내지는 80℃도에서 0.03 내지 0.06 몰 농도의 TiCl4 수용액에 20분에서 1시간까지 침지하도록 한다.
또한, 본 발명은 염기성 탈착 용액으로 기존의 수산화나트륨 (NaOH) 수용액 대신 분자량이 큰 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 용액을 사용함으로써, 이전에 사용하였던 고분자 형성-제거과정을 삭제할 수 있다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법 및 이로부터 제조된 다중 적층 염료를 갖는 염료감응 태양전지에 대하여, 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은,
블록킹층이 형성된 투명 전도성 기판의 일면에 금속산화물 나노입자층과 그 위에 광산란층을 형성한 후 사염화티타늄(TiCl4) 처리를 진행하는 단계;
상기 투명 전도성 기판에 형성된 금속산화물 나노입자층에 1차 염료를 흡착시키는 단계;
점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 1차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 금속산화물 나노입자층의 1차 염료만을 탈착시키는 단계;
상기 탈착 부위에 상기 1차 염료와 파장이 다른 2차 염료를 흡착시켜, 서로 다른 파장을 갖는 적층 구조의염료층을 가지는 금속산화물 나노입자층 및 그 위에 광산란층을 갖는, 광전극을 제조하는 단계;
투명 전도성 기판의 일면에 백금층을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계; 및
상기 광전극과 상대전극을 대향 배치하고 전해질을 충진하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은,
블록킹층이 형성된 투명 전도성 기판의 일면에 서로 같거나 다른 종류의 2층 이상의 적층구조의 금속산화물 나노입자층을 형성하고, 그 위에 광산란층을 형성한 후 사염화티타늄(TiCl4) 처리를 진행하는 단계;
상기 투명 전도성 기판에 형성된 2층 이상의 금속산화물 나노입자층에 1차 염료를 흡착시키는 단계;
점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 1차 염료가 흡착된 2층 이상의 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층의 1차 염료만을 탈착시키는 단계;
상기 탈착 부위에 상기 1차 염료와 파장이 다른 2차 염료를 흡착시켜, 서로 다른 파장을 갖는 적층 구조의 염료층을 가지는 2층 이상의 금속산화물 나노입자층 및 그 위에 형성된 광산란층을 갖는 광전극을 제조하는 단계;
투명 전도성 기판의 일면에 백금층을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계; 및
상기 광전극과 상대전극을 대향 배치하고 전해질을 충진하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 제1실시예 및 제2실시예에 따른 방법은 상기 광전극을 제조하는 단계에서, 금속산화물 나노입자층이 서로 다른 파장을 갖는 2이상의 적층구조의 염료층을 가지도록, 탈착과정과 염료의 재흡착하는 과정을 반복할 수 있다.
예를 들면, 제1실시예의 경우 상기 2차 염료를 흡착한 후, 점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여 2차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 금속산화물 나노입자층의 2차 염료만을 탈착하고, 상기 광전극 제조시 사용된 1차 및 2차 염료와 파장이 다른 추가 염료를 상기 2차 염료의 탈착 부위에 흡착하여 염료층을 더 형성하는 단계를 1회 이상 반복 수행하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 따라서, 상기 추가 염료는 3차 염료, 4차 염료 등이 될 수 있으며, 필요에 따라 원하는 형태를 구현할 수 있다. 이로써, 본 발명에서는 다중 적층구조의 염료층을 가지는 염료감응 태양전지를 제공할 수 있다.
또한, 제2실시예의 경우도 추가 과정이 동등하며, 점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 2차 염료가 흡착된 2층 이상의 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층의 2차 염료만을 탈착시키고, 상기 광전극 제조시 사용된 1차 및 2차 염료와 파장이 다른 3차 염료를 상기 2차 염료의 탈착 부위에 흡착하여 염료층을 더 형성하는 단계를 1회 이상 반복 수행하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
이때, 상기 제2 실시예에 따른 방법에서, 염기성 탈착액을 이용하여 염료를 탈착시키는 과정에 탈착부위 선정은 필요에 따라 조절할 수 있다. 또한 본 발명에서 언급하는, "상기 상부쪽으로 위치하는 부분의 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층"은 2층 이상의 금속산화물 나노입자층에 염료가 흡착된 형태에서, 투명 전도성 기판에 접하는 면에 제일 먼저 형성된 금속산화물 나노입자층의 상부 부분을 의미하는 것이다. 따라서, 제2 실시예에 따른 방법을 사용할 경우, 만일 상기 금속산화물 나노입자층이 2층으로 형성되는 경우라면, 상기 "상부쪽으로 위치하는 부분의 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층"은 투명 전도성 기판 위에 바로 접하는 제1 금속산화물 나노입자층 위의 제2 금속산화물 나노입자층을 나타낸다. 따라서, 이러한 경우의 염료의 탈착 부위는 상기 제2 금속산화물 나노입자층이 될 수 있다. 또한, 금속산화물 나노입자층이 3층 이상이 될 경우에는 2종 이상의 염료가 사용되므로, 염료의 탈착 부위는 제2 금속산화물 나노입자층, 제3 금속산화물 나노입자층 또는 이들의 혼합층이 될 수 있다. 따라서, 상기 다층의 금속산화물 나노입자층이 적층될 경우, 염료의 탈착 부위는 금속산화물 나노입자층의 적층되는 순서에 의해 정해질 수 있다.
도 2a는 상기 제조방법 중, 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 적층 염료를 갖는 염료 감응 태양 전지의 제조 과정을 나타낸 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 태양전지는 (a) 일반 전도성 투명 전도성 기판(10) 위에 금속 산화물 전구체나 나노 입자 등을 블록킹 층(20)으로 도포한 후 열처리한다. (b) 블록킹 층위에 평균입경이 1nm 내지 80nm인 금속산화물 나노입자, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 금속 산화물 나노입자 페이스트를 도포하고 열처리하여 광흡수층으로 사용하기 위한 금속산화물 나노입자층을 형성한다. 이어서, (c) 평균입경이 100nm 내지 2000nm인 금속산화물 나노입자, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 페이스트를 상기 (c)에서 형성된 금속산화물 나노입자층 위에 도포하고 열처리하여 광산란층을 형성한다. 이후, (d) 소결된 금속산화물 나노입자 층에만 1차 염료 물질(31a)을 흡착시킨다. 그리고, (e) 염기성 용액으로 금속산화물 나노입자층의 상부에 존재하는 염료만 탈착되도록 유도한다. 이러한 과정에 의해서, 염료가 흡착되지 않은 금속산화물(31c)이 존재하게 된다. 이어서, (f) 상기 염료가 흡착되지 않은 금속산화물(31c)이 존재하는 금속산화물 나노입자층 상부의 염료가 탈착된 부위만 다른 종류의 2차 염료물질(31b)로 흡착시켜 적층구조의 이중 염료로 구성된 금속산화물 나노입자를 포함하는 광흡수층(30)을 포함하는 광전극의 구조를 제공할 수 있다. 그리고, 이 과정을 반복함으로써, 본 발명은 단일 나노 입자층 내에 이중층 뿐만 아니라 삼중, 사중 이상의 다중 염료층을 포함하는 구조의 형성이 가능하다.
이때, 상기 금속산화물 나노입자층을 형성하기 위한, 금속산화물 나노입자 페이스트는 금속산화물 나노입자를 용매와 혼합하여 금속산화물이 분산된 점도 5×104 내지 5×105 cps의 콜로이드 용액을 제조한 후, 여기에 바인더 수지를 혼합한 후, 증류기(Rotor Evaporator)로 40 - 70℃에서 30분 - 1시간 동안 용매를 제거하여 제조한다. 상기 금속산화물 나노입자는 수열합성으로 제조되었거나, 상용의 금속산화물 나노입자를 사용하여 제조할 수 있다. 또한, 금속산화물 나노입자, 바인더 수지 및 용매의 혼합비율은 크게 한정되지는 않으며, 바람직한 예를 들면 금속산화물 : 터피놀(Terpineol) : 에틸셀룰로오스: 라우르산(Lauric acid)을 1 : 2 내지 6: 0.2 내지 0.5: 0 내지 0.3의 중량비율로 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 광산란층의 형성은 에너지 변환효율을 높이기 위한 것이며, 상기 광산란층을 형성하기 위한 금속산화물 나노입자 페이스트는 그 제조방법이 특별히 한정되지 않고, 상기와 동일한 방법을 사용하여 제조할 수 있다.
상기 광전극의 광흡수층과 광산란층에 사용될 수 있는 금속산화물 나노입자는 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, 및 Ga로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 산화물 또는 이들의 복합 산화물이 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 광전극의 광흡수층인 금속산화물 나노입자층 및 광산란층은 각각 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 광전극의 광흡수층인 금속산화물 나노입자층 및 광산란층은 티타늄 산화물(TiO2), 아연 산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2) 및 텅스텐 산화물(WO3)로 이루어진 군에서 선택하여 사용될 수 있다.
상기 광흡수층으로 사용되는 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 경우, 금속산화물의 나노입자 크기는 평균입경이 1 nm 내지 80 nm 인 것이 좋다. 또한 광산란층에 쓰이는 금속산화물 나노입자의 평균입경은 100nm 내지는 2000nm인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 200nm 내지는 600nm인 것이 좋다.
상기 바인더 수지의 종류는 특별히 한정되지는 않으며, 통상의 바인더 역할을 하는 고분자를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 열처리 후 유기물이 잔존하지 않는 고분자를 선택해야 한다. 적합한 고분자로는 폴리 에틸렌 글리콜(PEG), 폴리 에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리 비닐 알콜(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP), 에틸셀룰로오스 등이 있다. 그리고 제조된 페이스트를 더욱 고르게 분산하기 위하여 3개의 세라믹 롤이 톱니바퀴와 같이 도는 3롤 분쇄기에 페이스트를 투입하여 후처리 함으로써 한 번 더 분산시킬 수 있다.
상기 용매는 콜로이드 용액의 제조에 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않게 사용할 수 있고, 예를 들면 에탄올, 메탄올, 터피네올(terpineol), 라우르산(Lauric Acid), THF, 물 등이 있다.
본 발명에 있어서, 금속산화물 나노입자 페이스트 조성의 일례를 들면, 산화티타늄, 터피네올, 에틸셀룰로오스 및 라우르산을 포함하는 조성 또는 산화티타늄, 에탄올 및 에틸셀룰로오스의 조성일 수 있다.
또한 본 발명에서 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층과 광산란층을 합한 두께는 5μm 내지 60μm 일 수 있다. 또한 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 두께는 2μm 내지 50μm 일 수 있고, 상기 광산란층의 두께는 2μm 내지 10μm 일 수 있다.
또한, 상기 블록킹층(20)은 투명 전도성 기판 위에 금속산화물 전구체나 나노입자 용액을 스핀 코팅한 후 공기 중 또는 산소 중에서 450 내지 500 ℃의 고온에서 10분 이상 열처리하여 형성하는 것이 바람직하다. 금속산화물 나노입자층(32)은 블록킹 층위에 상기에서 제작된 금속산화물 나노입자 페이스트를 도포한 후 공기 중 또는 산소 중에서 400 내지 550℃에서 10 내지 120분 동안, 바람직하게 450 내지 500℃의 고온에서 약 30분간 열처리를 실시하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서는 상기 광전극에 형성된 금속산화물 나노입자층에 광전하 생성을 하기 위해 염료물질(31a, 31b)을 흡착시킨다.
상기 1차 염료물질(31a)은 가시광선 및 적외선, 자외선을 흡수할 수 있는 물질을 포함하는 것이 바람직하며, 예를 들면 통상의 금속 착화합물, 무기 염료 및 유기 염료 등이 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 염료물질은 루테늄(Ru) 착화합물 염료인 N719 (bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato)-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II)), N749 ((4,4',4''-tricarboxy-2,2':6',2'-terpyridine)ruthenium(II)), 무기염료인 CdSe, 유기 염료인 P5 등을 사용할 수 있다. 염료의 흡착 방법은, 일반적인 염료 감응 태양전지에서 사용되는 방법이 이용될 수 있고, 예를 들면 염료를 포함하는 분산액에 금속산화물 나노입자가 형성된 광전극을 침지시킨 후, 적정 온도에서 흡착시키는 방법을 이용할 수 있다. 상기 염료를 분산시키는 용매는 특별히 한정되지 않으나, 바람직하게는 아세토나이트릴, 디클로로메탄 또는 알코올계 용매 등을 사용할 수 있다. 상기 염료를 흡착시킨 후에는, 용매 세척 등의 방법으로 흡착되지 않은 염료를 세척하는 과정을 포함할 수 있다.
이후, 상기 기재된 바와 같이, 본 발명은 점성이 있는 염기성 탈착 용액을 이용하여, 상기 1차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층 중에서 상기 1차 염료가 흡착된 부분의 상부쪽에 위치하는 부분의 1차 염료만을 탈착시킨다.
탈착을 위한 염기성 용액에 기본적으로 포함되는 성분은 매우 다양하며, 그 종류가 특별히 제한하지는 않는다. 예를 들면, 염기성 용액은 수산화 나트륨, 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 등 염기성 화합물을 물, 유기용매 또는 고분자혼합 용액에 녹인 용액이 사용할 수 있다.
하지만, 이미 흡착되어 있는 1차 염료 및 산화물의 손상을 최소화하기 위해서 물보다는 에탄올 등의 유기용매를 사용한 염기성 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 탈착하는 두께를 효과적으로 제어하기 위해서는, 수산화 나트륨과 같은 저분자물질보다는 분자량이 큰 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 등을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는 탈착 정도를 조절하기 위해, 탈착 횟수, 탈착액의 노출 시간, 탈착 물질의 종류 등을 조절할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 염기성 탈착 용액에 점성을 부여하기 위해서 특정의 점성 고분자를 사용한다.
따라서, 본 발명에서 사용하는 상기 점성이 있는 염기성 탈착액은 물 또는 에탄올의 수용성 용매, 바람직하게 에탄올에 녹인 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 수용액과 점성 고분자의 혼합 용액을 사용하는 특징이 있다. 상기 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 수용액과 점성 고분자는 5: 1 내지 1: 10의 부피비율로 혼합될 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용하는 염기성 탈착 용액은 20cP 내지 1500cP의 점도를 가지는 것이 바람직하다.
상기 점성 고분자는 폴리프로필렌글리콜, 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 키토산, 키틴, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산, 셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 폴리하이드록시에틸메타크릴산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등과 같은 물이나 유기용매에 용해되는 고분자 물질을 상기 염기성 용액에 혼합 사용할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에서는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드의 수용액과 폴리프로필렌 글리콜을 5: 1 내지 1: 10의 부피비율로 혼합 사용하는 것이 좋다.
이렇게 본 발명은 분자량이 큰 염기성 물질을 염료손상을 최소화할 수 있는 에탄올 등에 녹이고 고분자물질을 이용해 탈착 용액에 점성을 부여함으로써, 기존의 별도의 고분자 코팅 및 열중합 공정을 실시하지 않아도 원하는 두께만큼의 염료의 탈착을 유도할 수 있다.
이때, 상기 1차 염료가 흡착된 부분의 상부쪽으로 위치하는 부분은 1차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 전체 두께 중 10 내지 90% 부분에 해당하는 부분을 의미한다. 따라서, 본 발명은 염료 흡착 부분 중 필요에 따라 상기 금속산화물 나노입자층에 흡착된 염료층에서 탈착해야할 상부쪽으로 위치하는 부분의 표면두께를 원하는 두께로 탈착시켜, 1차 염료와 다른 2이상의 다른 염료를 추가적으로 흡착시킬 수 있다.
또한, 상기 1차 염료의 상부가 탈착된 부위에 흡착시키기 위한 2차 염료 물질은 1차 염료와 흡수 파장대 특성이 같거나 다른 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 염료물질은 루테늄(Ru) 착화합물 염료인 N719(bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato)-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II)), N749 ((4,4',4''-tricarboxy-2,2':6',2'-terpyridine)ruthenium(II)), 무기염료인 CdSe, 유기 염료인 P5 등을 사용할 수 있다. 염료의 흡착 방법은 상기의 1차 염료의 흡착 방법과 동일하며, 2차 염료의 침투 깊이를 조절하기 위해 흡착 시간, 염료의 농도, 염료의 분자 크기 등을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 1차 및 2차 염료층이 형성된 적층구조에 3차 이상의 염료층을 추가로 더 형성할 수 있다(도 2b, 2c). 이를 위해, 본 발명은, 상부 염료의 선택적 탈착, 및 추가 염료의 재흡착 과정을 1회 이상 반복함으로써 다중 염료층의 형성이 가능하다. 이 때 금속산화물 나노입자 층의 상부층의 탈착의 깊이, 재흡착의 깊이를 조절함으로써 추가 염료의 흡착을 조절할 수 있으며, 탈착의 깊이 및 재흡착의 깊이 제어는 탈착 공정, 추가 염료의 재흡착 공정 내의 모든 변수들에 의해 조절되어진다. 즉, 본 발명에 따르면 2차 염료를 탈착하고, 1차 및 2차 염료와 파장이 다른 추가 염료를 재흡착하고 고분자 물질을 제거하는 단계, 또는 2차 염료 재흡착 후, 2차 염료를 탈착하고, 1차 및 2차 염료와 파장이 다른 추가 염료를 재흡착하고, 고분자 물질을 제거하는 단계를 1회 이상 반복 수행하여 1차 및 2차 염료층과 파장이 같거나 다른 염료층을 갖는 염료층을 더 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 염료물질은 상기에서 사용된 1차 및 2차 염료와 동일한 루테늄(Ru) 착화합물 염료인 N719 (bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato)-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II)), N749 ((4,4',4''-tricarboxy-2,2':6',2'-terpyridine)ruthenium(II)), 무기 염료인 CdSe, 유기 염료인 P5 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 2차 염료가 흡착된 부분의 상부쪽으로 위치하는 부분은 2차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 전체 두께 중 10 내지 90% 부분에 해당할 수 있으며, 필요에 따라 적절히 염료를 탈착해야할 상부 부분의 표면층의 두께를 조절할 수 있다.
또한, 태양 전지 셀 형성에 필요한 상대전극(70)를 제조하기 위해, 본 발명은 투명 전도성 기판 위에 백금 용액을 도포한 후, 약 400도 정도의 고온에서 열처리하여 상대전극을 제조하는 것이 바람직하다.
상기 투명 전도성 기판(10)은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 것에서 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 및 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 중의 어느 하나를 포함하는 투명한 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에, 인듐 틴 옥사이드(ITO), 플루오린 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중의 어느 하나를 포함하는 전도성 필름이 코팅된 것을 사용할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 두 개의 전극(70, 80)을 서로 마주보도록 대향 배치한 후 접합시키고 전해질을 충전함으로써, 다중 염료층을 갖는 광흡수층(30)을 포함하는 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다.
상기 전해질(40)은 도 2c에서 설명의 편의상 한 층으로 도시되어 있지만, 실제로는 광흡수층(30) 사이의 공간에서 다공질막인 금속산화물 나노입자층의 내부에 균일하게 분산되어 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 다중 염료층의 적층구조와 다중 금속산화물 나노입자층의 적층구조를 갖는 것을 특징으로 하므로, 이를 제외한 상기 전해질(40)은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적인 구성을 포함할 수 있으며, 그 제조방법 또한 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로 특별히 제한하지 않는다.
예를 들면, 상기 전해질(40)은 iodide/triodide 쌍으로서 산화-환원에 의해 상대전극(70)으로부터 전자를 받아 광흡수층(30)의 염료에 전달하는 역할을 할 수 있는 것을 사용할 수 있다.
이러한 본 발명의 방법은 전도성 기판의 단일 산화물 입자층 내에 다중 염료를 적층으로 흡착시켜 빛의 흡수 범위를 넓힐 수 있고, 1차 염료가 흡착된 금속 산화물 입자층과 추가 염료가 흡착된 금속산화물 입자층간 비연속적인 공간 없이 단일 산화물 입자층 내에 적층 구조를 형성하여 두 염료의 특성 밴드들을 효과적으로 발현되도록 한다. 또한, 본 발명은 기존 본 출원인이 개발한 특허출원 제10-2008-0017071호에 표기된 방법과 같이, 고분자를 형성하고 제거하는 과정 없이도, 염료를 탈착하는 염기성 용질의 분자량을 조절하여 태양전지의 특성을 월등히 향상시켰으며, 공정도 대폭 간소화하였다. 또한, 탈착용질을 수용액보다 유기용매, 특히 에탄올에 녹여 물에 의한 특성 감소를 막았다. 또한, 본 발명은 염료감응태양전지에 쓰이는 각각의 적층된 염료에 적합한 금속산화물 나노입자층을 적층된 염료층과 일치하도록 적층하여 각 염료의 전자주입효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 제조방법의 경우, 적층구조를 갖는 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 형성방법이 다른 것을 제외하고는, 상기 제1 실시예의 방법과 동일하게 상대전극의 제조하여 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다.
그러면, 상기 제2 실시예에 따른, 적층구조를 갖는 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 형성방법을 설명한다.
먼저, 본 발명은 염료를 흡착하기 전에 투명 전도성 기판 위에 원하는 적층수가 되도록, 서로 같거나 다른 종류의 2층 이상의 적층 구조의 금속산화물 나노입자층을 일정두께로 순서대로 적층시킨다. 이때, 상기 염료를 흡착하기 이전의 2층 이상의 적층구조의 금속산화물 나노입자층은, 서로 같거나 다른 종류의 금속산화물 나노입자를 포함하는 제1 및 제2의 금속산화물 나노입자 페이스트를 이용하여 투명 전도성 기판 위에 형성된 블록킹층 위에 순차적으로 도포하고 열처리하여 이중 적층 구조의 금속산화물 나노입자층을 형성하거나, 또는 상기 제1 및 제2의 금속산화물 나노입자 페이스트와 같거나 다른 1종 이상의 금속 산화물 나노입자 페이스트를 이용하여 상기 이중 적층 구조의 금속산화물 나노입자층 위에 도포하고 열처리하는 과정을 1회 이상 반복 수행하여 형성될 수 있다. 또한 상기 금속산화물 나노입자를 서로 같거나 다른 종류일 수 있다. 바람직하게, 상기 염료를 흡착하기 이전의 2층 이상의 적층구조의 금속산화물 나노입자층은, 평균입경이 1nm 내지 80nm인 금속산화물 나노입자, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 상기 블록킹층 위에 도포하고 열처리하여 금속산화물 나노입자층을 형성한 후, 그 위에 상기 금속산화물 나노입자 페이스트를 도포하고 열처리하는 과정을 2회 이상 반복 수행하여 이루어질 수 있다. 즉, 2층 구조의 금속산화물 나노입자층을 갖는 경우, 서로 같거나 다른 종류의 A 및 B의 금속산화물 나노입자를 포함하는 제1 및 2의 금속산화물 나노입자 페이스트를 이용하여 블로킹층이 형성된 투명 전도성 기판의 일면에 순차적으로 도포하고 열처리하여 이중 적층 구조의 금속산화물 나노입자층을 형성한다. 이후, 상기 금속산화물 나노입자층 위에 광산란층을 형성한다.
그리고, 상기 2층 이상의 금속산화물 나노입자층에 1차 염료를 흡착하고, 점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 1차 염료가 흡착된 2층 이상의 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층의 1차 염료만을 탈착시킨다. 또한, 상기 탈착 부위에 상기 1차 염료와 파장이 다른 2차 염료를 흡착시켜, 서로 다른 파장을 갖는 적층 구조의 염료층을 가지는 2층 이상의 금속산화물 나노입자층 및 그 위에 광산란층을 갖는, 광전극을 제조할 수 있다.
또한, 도 2c에서와 같이 3층 구조의 금속산화물 나노입자층을 갖도록 하는 경우, 상기 구성에서 금속산화물 나노입자층이 1층 더 형성되는 것을 제외하고는 그 방법이 유사하다.
즉, 본 발명은 서로 같거나 다른 종류의 A 내지 C의 금속산화물 나노입자를 포함하는 제1 내지 제3의 금속산화물 나노입자 페이스트를 준비한다. 이후, 투명 전도성 기판 위에 제1 금속산화물 나노입자 페이스트를 일정 두께로 도포하고, 열처리하여 제1 금속산화물 나노입자층을 형성시킨다(금속산화물 A 포함). 이후, 상기 제1 금속산화물 나노입자층 위에, 상기 제2 금속산화물 나노입자 페이스트를 일정 두께로 도포하고, 열처리하여 제2 금속산화물 나노입자층을 형성시킨다(금속산화물 B 포함). 그리고, 상기 제2 금속산화물 나노입자층 위에, 상기 제3 금속산화물 나노입자 페이스트를 일정 두께로 도포하고, 열처리하여 제3 금속산화물 나노입자층을 형성시킨다(금속산화물 C 포함).
이후, 상기 제1 내지 제3의 금속산화물 나노입자층이 순서대로 적층된 구조에 광산란층을 형성하기 위해, 상기 제3의 금속산화물 나노입자층 위에 제1 실시예에서와 동일한 조건의 페이스트를 사용하여 광산란층을 형성시킨다. 이어서, 상기 제1 내지 제3의 금속산화물 나노입자층(광흡수층)과 광산란층을 갖는 기판을 1차 염료에 침지하여, 상기 투명 전도성 기판에 1차 염료를 흡착시킨다.
그리고, 점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 1차 염료(염료 A)가 흡착된 3층의 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층, 바람직하게 제2 및 제3의 금속산화물 나노입자층의 1차 염료만을 탈착시킨다. 그런 다음, 상기에서 얻은 기판을 2차 염료(염료 B)에 침지하여 상기 제2 및 제3의 금속산화물 나노입자층을 포함하는 탈착 부위에 2차 염료를 흡착시킨다. 이어서, 다시 점성이 있는 염기성 탈착용액을 이용하여 상기 2차 염료가 흡착된 제2 및 제3의 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층, 바람직하게 제3의 금속산화물 나노입자층의 2차 염료만을 탈착시킨다. 이후, 상기에서 얻은 기판을 3차 염료(염료 C)에 침지하여 상기 제3의 금속산화물 나노입자층을 포함하는 탈착 부위에 3차 염료를 흡착시킨다.
이러한 과정을 거쳐서, 광흡수층으로 작용하는 금속산화물 나노입자층은, 도 2c에 도시된 바와 같이, 금속산화물 A에 염료 A가 흡착되고, 금속산화물 B에 염료 B가 흡착되고, 금속산화물 C에 염료 C가 흡착된 적층구조를 갖는 형태를 얻을 수 있다.
또한, 광전극은 상기 적층 구조의 광흡수층 위에 광산란층을 갖는 형태를 가지게 된다.
또한, 상기 제1실시예에서와 동일한 방법으로 투명 전도성 기판의 일면에 백금층을 형성하여 상대전극을 제조한 후, 상기 광전극과 상대전극을 대향 배치하고 전해질을 충진하여 다중 적층형 염료감응 태양전지를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명은 상기 방법으로 제조되는 염료감응 태양전지가 제공된다.
본 발명의 염료감응 태양전지는 투명전도성 기판 위에 형성되며, 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층을 포함하는 광전극, 상기 광전극에 대향 배치되며 투명전도성 기판 위에 형성된 백금층을 포함하는 상대전극, 및 상기 광전극과 상대전극 사이를 충진하는 전해질을 포함하는 구조일 수 있다. 바람직하게, 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층은, 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 염료가 각각 흡착된 2이상의 염료층을 포함하는 특징이 있다. 또한 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 상부에는 광산란층이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층에서 염료가 흡착되는 형태는, 상기 제1실시예 및 제2실시예의 방법에 따라 선택적일 수 있다. 예를 들면, 그 형태는 한 층으로 형성된 금속산화물 나노입자층에서 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 염료가 적층구조로 흡착되어 있거나, 또는 2층 이상으로 형성된 금속산화물 나노입자층에서 서로 다른 파장을 갖는 2이상의 염료가 각층에 별도로 흡착되어 층상의 염료층을 가질 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 투명 전도성 기판 위에 금속산화물 나노입자층을 한층으로 형성시킨 후, 그 부분에 2이상의 염료를 적층구조로 형성할 수 있다. 또한, 본 발명은 투명 전도성 기판 위에 서로 같거나 다른 종류의 금속산화물 나노입자층을 적층구조로 각각 형성한 후, 상기 적층 구조의 금속산화물 나노입자층에 각각 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 염료를 적층구조로 형성할 수도 있다. 즉, 도 2b와 같이, 적층된 염료에 적합한 나노산화물을 적용하여, 염료에서 나노산화물로 전자가 이동하는 효율인 전자주입효율(electron injection efficiency)을 높일 수 있다.
도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다중염료 적층 염료감응 태양 전지의 구조를 나타낸 것이다. 도 2b에 개시된 바와 같이, 본 발명의 염료감응 태양전지는 투명 기판(10) 위에 블록킹층(20)을 구비하고, 그 위에 염료층 A, 염료층 B, 염료층 C를 갖는 금속산화물 나노입자층(30)과 광산란층(32)을 포함하는 광전극(80)과, 상기 광전극(80)에 대향 배치된 투명기판(10)에 백금층(60)을 갖는 상대전극(70)과, 상기 광전극 및 상대전극 사이를 충진한 전해질(40)과, 그리고 접착수지(50)를 구비할 수 있다. 상기에서 금속산화물 나노입자층은 광흡수층으로 사용된다.
도 2c는 본 발명의 제2 실시예에 따른 각 층에 적층된 염료에 맞는 금속산화물 나노입자를 적용한 염료감응태양전지의 구조를 나타낸 것이다. 도 2c에 개시된 바와 같이, 본 발명의 염료감응 태양전지는 투명 기판(10) 위에 블록킹층(20)을 구비하고 그 위에 서로 같거나 다른 금속산화물 A, B, C에 각각 염료층 A, B, C가 흡착된 금속산화물 나노입자층(30)과 광산란층(32)을 포함하는 광전극(80)과, 상기 광전극(80)에 대향 배치되고 투명기판(10)에 백금층(60)을 포함하는 상대전극(70)과, 상기 광전극 및 상대전극 사이를 충진한 전해질(40)과, 그리고 접착수지(50)를 구비할 수 있다. 상기에서 금속산화물 나노입자층은 광흡수층으로 사용된다.
상기 염료층 A 내지 C는 광흡수층으로서 이에 포함되는 염료는 서로 다른 종류의 서로 다른 흡수파장을 가질 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 상기 염료층은 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층에 사용된 염료와 파장이 같거나 다른 종류의 염료를 더 포함할 수도 있다. 또한, 도 2a 에서 편의상 도면부호를 표시하지 않았지만, 염료층은 금속산화물 나노입자층을 포함한다. 또한, 상기 염료가 흡착된 금속산화물의 나노입자층에서 금속산화물 나노입자는 평균크기가 1nm 내지 80nm이며, 서로 같거나 다른 종류의 1종 이상의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 금속산화물 A 내지 C는 동일하거나 다른 종류를 사용할 수 있고, 입자 사이즈가 다른 금속산화물이나 서로 다른 금속산화물을 혼합하는 형태를 가질 수 있다.
이와 같은 방법에 의해 제공되는 본 발명의 염료감응 태양전지는, 도 3에 나타난 바와 같이, 다중 염료층을 포함하여 종래 단일 염료를 포함하는 염료감응 태양전지에 비해 태양광을 광범위하게 흡수할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 기존에 발표된 염료가 다중으로 적층된 염료감응태양전지의 공정에 변화를 주어 더 높은 성능의 다중적층염료감응태양전지를 구현할 수 있다. 점성이 있는 탈착용액을 이용한 탈착 공정의 횟수를 조절함으로써, 하부층 염료의 적층 두께를 제어할 수 있다. 본 발명으로 제조된 다중적층염료감응태양전지는 한 개의 염료를 사용한 염료감응태양전지를 최적화하였을 때 나타나는 에너지 변환효율보다 월등히 높은 에너지 변환효율을 보였으며, 공정을 간소화하여 대면적 모듈에 적용이 용이하도록 하였다. 또한 각각의 적층된 염료에 적합한 나노산화물 전극을 다중적층하여 전자주입효율을 증가시킬 수 있다.
도 1a는 유기 염료 태양 전지 구성의 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1b는 기존에 연구된 직렬식 구조 유기 염료 태양 전지의 개략적인 도면이다.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 적층 염료를 갖는 유기 염료 태양 전지의 제작 과정을 나타낸 것이다.
도 2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 적층 염료를 갖는 염료 태양 전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 2c는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속산화물 나노입자층을 적층한 후 염료를 흡착시켜 다중 적층 염료를 갖는 염료 태양 전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 종래 단일 염료 구조의 흡수 범위 및 본 발명의 다중 염료 적층 구조의 광범위 흡수 범위를 개략적으로 비교하여 나타낸 모식도이다.
도 4는 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 입사 광자-전류 변환 효율 측정 결과이다.
도 5는 실시예 3, 비교예 3 및 비교예 4의 입사 광자-전류 변환 효율 측정 결과이다.
도 1b는 기존에 연구된 직렬식 구조 유기 염료 태양 전지의 개략적인 도면이다.
도 2a는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 적층 염료를 갖는 유기 염료 태양 전지의 제작 과정을 나타낸 것이다.
도 2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 적층 염료를 갖는 염료 태양 전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 2c는 본 발명의 제2실시예에 따른 금속산화물 나노입자층을 적층한 후 염료를 흡착시켜 다중 적층 염료를 갖는 염료 태양 전지의 구조를 나타낸 것이다.
도 3은 종래 단일 염료 구조의 흡수 범위 및 본 발명의 다중 염료 적층 구조의 광범위 흡수 범위를 개략적으로 비교하여 나타낸 모식도이다.
도 4는 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 입사 광자-전류 변환 효율 측정 결과이다.
도 5는 실시예 3, 비교예 3 및 비교예 4의 입사 광자-전류 변환 효율 측정 결과이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
(다중 염료 적층구조를 갖는 다파장 흡수 염료감응 태양전지 제조)
전, 후방전극용 기판으로서 FTO가 코팅된 유리기판을 준비하였다. 후방전극용 기판의 전도성면 쪽에 H2PtCl6 용액을 코팅하여, 400℃에서 20 분 동안 열처리하여 상대전극을 제조하였다. 전방전극용 기판의 전도성면 쪽에는 0.15M 티타늄(IV) 비스(에틸 아세토아세테이토) 다이이소프로폭사이드 용액으로 스핀 코팅한 후 500 ℃에서 10분 이상 열처리하여 블록킹 층을 형성하였다.
이어서, 산화티타늄 나노입자(평균입경: 20 nm), 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스), 및 용매(Terpineol)를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 상기 전방전극용 기판 위에 도포(닥터블레이드[doctor blade]법 이용)한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 전방 전극에 사용되는 다공질 산화티타늄 나노입자층을 형성시켰다.
그런 다음, 빛을 산란할 수 있는 산화티타늄 나노입자(평균입경: 500nm), 바인더용 고분자(에틸셀룰로오스) 및 용매(Terpineol)를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 상기 기판에 형성된 산화티타늄 나노입자층 위에 도포한 후, 기판을 500 ℃에서 30 분간 열처리하여 광산란층을 형성하였다. 이후, 광전류를 증대시키고 나노산화물의 기공크기를 조절하여 탈착 두께조절을 용이하게 하기 위하여, 상기 산화티타늄 나노입자층과 광산란층이 형성된 기판을 0.04 몰 농도의 TiCl4 수용액에 70 ℃에서 30 분 동안 침지하였다. 이 때, 블로킹층의 두께는 약 30 nm 이고, 산화티타늄 나노입자층의 두께는 광산란층을 포함하여 약 35 μm 이다. 즉, 광흡수층으로 사용되는 산화티타늄 나노입자층은 약 30 μm이고 광산란층은 약 5 μm이다.
이어서, 전방 기판을 루테늄(Ru) 계열 감광성 염료인 N719 (bis(tetrabutylammonium)-cis-(dithiocyanato)-N,N'-bis(4-carboxylato-4'-carboxylic acid-2,2'-bipyridine)ruthenium(II)) 0.5 mM을 포함하는 에탄올 용액에 16 시간 동안 실온 조건에서 침지하여 다공질 금속산화물 층의 입자표면에만 감광성 염료를 흡착시켰다.
테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 100 mM 농도로 에탄올에 녹인 용액과 이 용액에 점성을 부여하기 위한 폴리프로필렌 글리콜을 1:1의 부피비율로 혼합하여 점성을 갖는 염기성 탈착용액을 만들었다. 상기 감광성 염료가 흡착된 기판을 에탄올로 세척한 후, 제조된 염기성 탈착용액을 기판 위에 떨어뜨리고 30초 후에 기판을 에탄올로 세척하여, 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 상부쪽으로 위치하는 부분을 약 5~6 μm 정도의 두께로 탈착시켰다. 위 탈착과정을 3~4회 반복한 후, 또 다른 루테늄(Ru) 계열 감광성 염료인 N749 ((4,4',4''-tricarboxy-2,2':6',2'-terpyridine)ruthenium(II)) 0.5 mM을 포함하고 Cheno Deoxycholic acid를 20mM 포함하는 에탄올 용액에 침지하여 40℃ 조건에서 6시간 동안 상기 탈착 부위에 감광성 염료를 흡착시켰다. 이렇게 하면, 상기 다공성 금속산화물 나노입자층에는 N719 와 N749 이중 염료층이 형성되며, 이들은 적층구조를 가진다.
(전해질 주입, 봉합)
앞서 제조한 전방전극과 후방전극을 접합시킨 후, 그 사이 공간에 PMII(0.7M) 및 I2(0.05M)을 포함하는 아세토니트릴(acetonitrile) 전해질을 주입하고 봉합하여 이중 염료 적층 구조를 갖는 다파장 흡수 염료감응 태양전지를 제조하였다.
실시예
2
본 발명의 염료 적층구조에 대한 전류 및 효율 향상의 기여 정도를 비교하기 위하여, 실시예1의 제조과정을 거쳐, 30μm의 두께를 갖는 산화티타늄 나노 입자층의 하부층은 N719, 상부층은 N749로 구성되는 이중 적층형 구조를 제작하였다.
비교예
1
실시예 2와 비교하기 위해서 하부층에만 N719 염료가 존재하고 상부층에는 염료가 흡착되지 않은 단위전지를 제작하였다.
비교예
2
실시예 2와 비교하기 위해서 상부층에만 N749 염료가 존재하고 하부층에는 염료가 흡착되지 않은 단위전지를 제작하였다.
실시예
3
본 발명의 염료 적층구조에 대한 전류 및 효율 향상의 기여 정도를 비교하기 위하여 실시예1의 제조과정을 거쳐, 30 μm의 두께를 갖는 산화티타늄 나노 입자층의 하부층은 단파장을 흡수하는 P5, 상부층은 N749로 구성되는 이중 적층형 구조를 제작하였다.
실시예
4
실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 30 μm의 두께를 갖는 산화티타늄 나노 입자층의 하부층은 단파장을 흡수하는 P5, 가운데층은 N719, 상부층은 N749로 구성되는 도 2b와 같은 삼중 적층형 구조를 제작하였다.
비교예
3
실시예 3과 비교하기 위해서 하부층에만 P5 염료가 존재하고 상부층에는 염료가 흡착되지 않은 단위전지를 제작하였다.
비교예
4
실시예 3과 비교하기 위해서 상부층에만 N749 염료가 존재하고 하부층에는 염료가 흡착되지 않은 단위전지를 제작하였다.
비교예
5 및 6
널리 쓰이고 있는 Ru계염료인 N749 염료 (비교예 5) 와 N749 염료 (비교예 6)를 이용하고, 산화티타늄 나노입자 두께와 전해질을 최적화하여 단일 염료층의 염료감응 태양전지를 제작하였다.
실험예
실시예 2 내지 3 및 비교예 1 내지 6에서 제조한 각각의 염료감응 태양전지의 광전 특성(광전류밀도, 개방전압, 충진계수, 에너지변환효율)을 1.5AM 100mW/㎠의 솔라 시뮬레이터(Xe 램프[300W, Oriel], AM1.5 filter, 및 Keithley SMU2400으로 구성됨)를 이용하여 측정하였고 그 결과는 표 1 및 2에 나타내었다. 도 4는 실시예 2 및 비교예 1 내지 2의 염료감응 태양전지의 전류-전압 측정 결과이다. 측정은 측면에서 들어오는 산란광을 막기 위해 활성면적을 제외한 부분을 검정색 마스크로 차폐시켰다. 활성면적은 약 0.4cm2 이다.
또한 실시예 2 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 각각의 염료감응 태양전지의 입사 광자-전류 변환 효율(Incident Photon-to-current Conversion Efficiency, IPCE)을 측정하였다. 도 5는 실시예 3 및 비교예 3 내지 4의 1.5 AM 광 조사 조건하에서의 전류-접압 측정 결과이다.
| 구분 | 광전류밀도 (mA/㎠) | 개방전압(mV) | 충진계수(%) | 효율(%) |
| 실시예 2 | 19.30 | 740.2 | 68.63 | 9.80 |
| 비교예 1 | 15.68 | 725.0 | 70.40 | 8.00 |
| 비교예 2 | 15.92 | 654.2 | 68.04 | 7.09 |
표 1 및 도 4에서 나타나듯이, 상부에 N749염료가 흡착되고 하부에 N719염료가 흡착된 이중 염료 적층구조를 갖는 염료감응 태양전지(실시예 2)는 하부에만 N719염료가 흡착된 전지(비교예 1)와 상부에만 N749염료가 흡착된 전지 (비교예 2)에 비교하여, 높은 광전류 값을 나타내었다. 그 이유는 N719가 400nm 내지 600nm 파장대에서 높은 IPCE값을 갖고, N749는 900nm 파장 영역의 빚까지 흡수하는데, 실시예 2의 태양전지는 이들을 모두 포함하여 400-600nm 파장대에서 높은 IPCE값을 갖는 동시에 900nm 파장 영의 빛까지 흡수하기 때문이다. 따라서 에너지 변환 효율면에서도 비교예1 및 2에 비해 18% 향상된 9.80%의 효율을 나타내고 있다.
| 구분 | 광전류밀도 (mA/㎠) | 개방전압(mV) | 충진계수(%) | 효율(%) |
| 실시예 3 | 18.19 | 649.4 | 68.08 | 8.04 |
| 비교예 3 | 3.87 | 539.2 | 75.34 | 1.57 |
| 비교예 4 | 15.67 | 701.9 | 68.99 | 7.59 |
| 비교예 5 | 15.06 | 824.3 | 73.10 | 9.08 |
| 비교예 6 | 17.86 | 730.5 | 67.54 | 8.81 |
또한, 표 2 및 도 5에서 나타나듯이, 상부에 N749 염료가 흡착되고 하부에 노란색 염료인 P5가 흡착된 이중 염료 적층구조를 갖는 염료감응 태양전지(실시예 3)는 하부에만 N749염료가 흡착된 전지(비교예 3)와 상부에만 P5염료가 흡착된 전지(비교예 4)에 비교하여, 높은 광전류 값을 나타내었다. 즉, 상기 N749염료는 900nm까지 빛을 흡수해서 활용하기는 하지만 300nm 내지 400nm 영역의 IPCE 값이 낮기 때문에, 금속산화물 하부에 단파장을 흡수하는 염료인 P5를 흡착하면 N749의 단파장영역을 보강해줄 수 있어 높은 광전류 값을 얻을 수 있다.
또한, 표 2에서 나타나듯이, 널리 쓰이고 있고 고효율을 낼 수 있는 염료인 N719와 N749를 사용하고, 광흡수층 두께와 전해질을 최적화한 염료감응 태양전지(비교예 5 : N719, 비교예 6 : N749)라 하더라도, 본 발명의 이중 적층 염료를 갖는 태양전지(실시예 2)가 상기 비교예 5 및 6에 비해서 더 높은 효율을 나타냈다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 기재하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 해당 기술 분야의 숙련된 기술자는 상기 기재된 범위 및 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서는 본 발명을 다양하게 변경 및 수정시킬 수 있음을 인지할 수 있을 것이다.
본 발명은 다중적층형 태양전지의 공정을 간소화하고 태양전지의 성능을 향상시켰다. 이를 통해서 태양광을 광범위하게 흡수할 수 있는 다파장 흡수 염료감응 태양전지의 제조에 적용할 수 있다.
10: 투명 전도성 기판
20: 블로킹 층
30: 광흡수층
31a: 1차 염료, 31b: 2차 염료
31c : 염료가 흡착되지 않은 금속산화물
32: 광산란층
40: 산화/환원 전해질
50: 접합용수지 60: 백금층
70: 상대전극 (또는 후방전극)
80: 광전극 (또는 전방전극)
20: 블로킹 층
30: 광흡수층
31a: 1차 염료, 31b: 2차 염료
31c : 염료가 흡착되지 않은 금속산화물
32: 광산란층
40: 산화/환원 전해질
50: 접합용수지 60: 백금층
70: 상대전극 (또는 후방전극)
80: 광전극 (또는 전방전극)
Claims (25)
- 블록킹층이 형성된 투명 전도성 기판의 일면에 금속산화물 나노입자층과 그 위에 광산란층을 형성한 후 사염화티타늄(TiCl4) 처리를 진행하는 단계;
상기 투명 전도성 기판에 형성된 금속산화물 나노입자층에 1차 염료를 흡착시키는 단계;
점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 1차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 1차 염료만을 탈착시키는 단계;
상기 탈착 부위에 상기 1차 염료와 파장이 다른 2차 염료를 흡착시켜, 서로 다른 파장을 갖는 적층 구조의 염료층을 가지는 금속산화물 나노입자층과 그 위에 형성된 광산란층을 갖는 광전극을 제조하는 단계;
투명 전도성 기판의 일면에 백금층을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계; 및
상기 광전극과 상대전극을 대향 배치하고 전해질을 충진하는 단계
를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항에 있어서, 상기 점성이 있는 염기성 탈착액은 20cp 내지 1500cp의 점도를 가지는, 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 점성이 있는 염기성 탈착액은 물 또는 에탄올의 수용성 용매에 녹인 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 수용액과 점성 고분자의 혼합 용액을 사용하며,
상기 점성 고분자는 폴리프로필렌 글리콜, 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 키토산, 키틴, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산, 셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 폴리하이드록시에틸메타크릴산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌나프탈레이트 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된 것인, 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항에 있어서, 상기 1차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분은 1차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 전체 두께 중 10 내지 90% 부분에 해당하는 것인, 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 방법은 상기 광전극을 제조하는 단계에서, 금속산화물 나노입자층이 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 적층 구조의 염료층을 가지도록,
상기 2차 염료를 흡착한 후, 점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여 2차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 2차 염료만을 탈착하고,
상기 광전극 제조시 사용된 1차 및 2차 염료와 파장이 다른 3차 염료를 상기 2차 염료의 탈착 부위에 흡착하여 염료층을 더 형성하는 단계를, 1회 이상 반복 수행하는 것을 추가로 포함하는, 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 1항에 있어서, 상기 염료를 흡착하기 이전의 금속산화물 나노입자층은 평균입경이 1nm 내지 80nm인 금속산화물 나노입자, 바인더 수지 및 용매를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트를 상기 블록킹층 위에 도포하고 열처리하여 형성하는, 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 광산란층은 평균입경이 100nm 내지 2000nm인 금속산화물 나노입자를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트, 바인더 수지 및 용매를 상기 금속산화물 나노입자층 위에 도포하고 열처리하여 형성하는, 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 블록킹층은 투명 전도성 기판의 일면에 금속 산화물 전구체 또는 금속산화물 나노입자 용액을 스핀 코팅하여 형성되는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 8항에 있어서, 상기 열처리는 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120분 동안 수행하는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 블록킹층이 형성된 투명 전도성 기판의 일면에 서로 같거나 다른 종류의 2층 이상의 적층구조의 금속산화물 나노입자층을 형성하고, 그 위에 광산란층을 형성한 후 사염화티타늄(TiCl4) 처리를 진행하는 단계;
상기 투명 전도성 기판에 형성된 2층 이상의 금속산화물 나노입자층에 1차 염료를 흡착시키는 단계;
점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여, 상기 1차 염료가 흡착된 2층 이상의 금속산화물 나노입자층 중에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층의 1차 염료만을 탈착시키는 단계;
상기 탈착 부위에 상기 1차 염료와 파장이 다른 2차 염료를 흡착시켜, 서로 다른 파장을 갖는 적층 구조의 염료층을 가지는 2층 이상의 금속산화물 나노입자층과 그 위에 형성된 광산란층을 갖는 광전극을 제조하는 단계;
투명 전도성 기판의 일면에 백금층을 형성하여 상대전극을 제조하는 단계; 및
상기 광전극과 상대전극을 대향 배치하고 전해질을 충진하는 단계
를 포함하는 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 10항에 있어서, 상기 점성이 있는 염기성 탈착액은 20cp 내지 1500cp의 점도를 가지는, 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 점성이 있는 염기성 탈착액은 물 또는 에탄올의 수용성 용매에 녹인 테트라부틸암모늄 하이드록사이드 수용액과 점성 고분자의 혼합 용액을 사용하며,
상기 점성 고분자는 폴리프로필렌 글리콜, 폴리우레탄, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리에틸렌글리콜, 키토산, 키틴, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알코올, 폴리아크릴산, 셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 폴리하이드록시에틸메타크릴산, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌나프탈레이트 및 폴리에틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군에서 1종 이상 선택된, 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 10항에 있어서, 상기 방법은 상기 광전극을 제조하는 단계에서, 금속산화물 나노입자층이 서로 다른 파장을 갖는 2이상의 적층 구조의 염료층을 가지도록,
상기 2차 염료를 흡착한 후, 점성이 있는 염기성 탈착액을 이용하여 2차 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층에서, 상부쪽으로 위치하는 부분의 적어도 1층 이상의 금속산화물 나노입자층의 2차 염료만을 탈착하고,
상기 광전극 제조시 사용된 1차 및 2차 염료와 파장이 다른 3차 염료를 상기 2차 염료의 탈착 부위에 흡착하여 염료층을 더 형성하는 단계를 1회 이상 반복 수행하는 것을 추가로 포함하는, 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 10항에 있어서, 상기 염료를 흡착하기 이전의 2층 이상의 적층구조의 금속산화물 나노입자층은,
서로 같거나 다른 종류의 금속산화물 나노입자를 포함하는 제1 및 제2의 금속산화물 나노입자 페이스트를 이용하여 투명 전도성 기판 위에 형성된 블록킹층 위에 순차적으로 도포하고 열처리하여 이중 적층 구조의 금속산화물 나노입자층을 형성하거나, 또는
상기 제1 및 제2의 금속산화물 나노입자 페이스트와 같거나 다른 1종 이상의 금속 산화물 나노입자 페이스트를 이용하여 상기 이중 적층 구조의 금속산화물 나노입자층 위에 도포하고 열처리하는 과정을 1회 이상 반복 수행하여 형성되는, 염료감응 태양전지의 제조방법. - 제 10항에 있어서, 상기 광산란층은 평균입경이 100nm 내지 2000nm인 금속산화물 나노입자를 포함하는 금속산화물 나노입자 페이스트, 바인더 수지 및 용매를 상기 금속산화물 나노입자층 위에 도포하고 열처리하여 형성하는, 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 블록킹층은 투명 전도성 기판의 일면에 금속 산화물 전구체 또는 금속산화물 나노입자 용액을 스핀 코팅하여 형성하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 16항에 있어서, 상기 열처리는 400 내지 550 ℃에서 10 내지 120분 동안 수행하는 것인 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제1항 또는 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되고,
투명 전도성 기판 위에 형성되며, 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층 및 광산란층을 포함하는 광전극,
상기 광전극에 대향 배치되며, 투명 전도성 기판 위에 형성된 백금층을 포함하는 상대전극, 및
상기 광전극과 상대전극 사이를 충진하는 전해질을 포함하며,
상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층은, 서로 다른 파장을 갖는 2이상의 염료가 각각 흡착된 2이상의 적층 구조의 염료층을 포함하는, 다중 적층 염료를 갖는 염료감응 태양전지. - 제 18항에 있어서, 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층은,
한 층으로 형성된 금속산화물 나노입자층에서 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 염료가 적층구조로 흡착되어 있거나, 또는
2층 이상으로 형성된 금속산화물 나노입자층에서 서로 다른 파장을 갖는 2 이상의 염료가 각층에 별도로 흡착되어 층상의 염료층을 가지는 것인, 염료감응 태양전지. - 제 18항에 있어서, 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층에서 염료는 금속 착화합물, 무기 염료 및 유기 염료로 이루어진 군에서 선택되는 염료를 포함하는, 염료감응 태양전지.
- 제 20항에 있어서, 상기 염료는 상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층에 사용된 염료와 파장이 같거나 다른 종류의 염료를 더 포함하는, 염료감응 태양전지.
- 제 18항에 있어서, 상기 염료가 흡착된 금속산화물의 나노입자층에서 금속산화물 나노입자는 평균입경이 1nm 내지 80nm이며, 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 서로 같거나 다른 종류의 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는, 염료감응 태양전지.
- 제 18항에 있어서, 상기 광산란층은 평균입경이 100nm 내지 2000nm이며, 타이타늄(Ti)산화물, 지르코늄(Zr)산화물, 스트론튬(Sr)산화물, 징크(Zn)산화물, 인듐(In)산화물, 란타넘(La)산화물, 바나듐(V)산화물, 몰리브데넘(Mo)산화물, 텅스텐(W)산화물, 틴(Sn)산화물, 나이오븀(Nb)산화물, 마그네슘(Mg)산화물, 알루미늄(Al)산화물, 이트늄(Y)산화물, 스칸듐(Sc)산화물, 사마륨(Sm)산화물, 갈륨(Ga)산화물, 및 스트론튬타이타늄(SrTi)산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속산화물을 포함하는, 염료감응 태양전지의 제조방법.
- 제 18에 있어서,
상기 염료가 흡착된 금속산화물 나노입자층의 두께는 2μm 내지 50μm 인, 염료감응 태양전지. - 제 18에 있어서, 상기 광산란층의 두께는 2μm 내지 10μm 인, 염료감응 태양전지.
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